高中生物新浙科版必修1細胞呼吸為細胞生活提供能量教案

第四節(jié)細胞呼吸為細胞生活提供能量課標要求核心素養(yǎng)素養(yǎng)對接素養(yǎng)水平1.探究酵母菌的呼吸方式。2．概述需氧呼吸的三個階段。3．概述厭氧呼吸的過程和類型。4．了解細胞呼吸原理的應(yīng)用。生命觀念：認同線粒體的結(jié)構(gòu)特點與其作為需氧呼吸的主要場所相適應(yīng)。水平一科學(xué)思維：構(gòu)建需氧呼吸和厭氧呼吸的過程模型，理解二者之間的關(guān)系。水平二社會責(zé)任：運用細胞呼吸原理，對生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用實例作出科學(xué)解釋。水平三一、探究酵母菌的呼吸方式1．原理(1)酵母菌在有氧和無氧環(huán)境中都能夠生存。(2)NaOH溶液能夠吸收CO2。溴麝香草酚藍溶液與CO2反應(yīng)，其顏色由藍色變成綠色再變成黃色。澄清的石灰水遇到CO2變渾濁。重鉻酸鉀溶液在酸性條件下，遇到酒精發(fā)生反應(yīng)，溶液由橙色變成灰綠色。2．設(shè)計實驗方案(1)活動方案應(yīng)包括以下幾個方面①選擇實驗材料與器具。②確定實驗操作步驟與方法。③確定觀察與記錄實驗現(xiàn)象的方式。(2)設(shè)計活動方案時，需要考慮的兩個問題①保證酵母菌有氧或者無氧的生活條件。②檢測酵母菌在有氧或者無氧條件下呼吸的產(chǎn)物的方法。二、細胞呼吸的本質(zhì)是糖等有機物的氧化分解1．細胞呼吸的概念：細胞內(nèi)進行的將糖類等有機物分解成無機物或者小分子有機物，并且釋放出能量的過程。2．細胞呼吸的分類：根據(jù)呼吸過程中是否有氧參與，分為需氧呼吸和厭氧呼吸。需氧呼吸是細胞呼吸的主要方式。三、需氧呼吸1．條件：有氧參與。2．場所：細胞溶膠和線粒體，主要是線粒體。3．反應(yīng)式：C6H12O6＋6H2O＋6O2eq\o(→,\s\up7(酶))6CO2＋12H2O＋能量。4．反應(yīng)過程(三個階段)(1)第一階段(糖酵解)：場所是細胞溶膠。在此過程中，1個葡萄糖分子被分解成2個三碳化合物——丙酮酸和少量的氫(用[H]表示)，釋放少量能量，形成少量ATP。(2)第二階段：場所是線粒體基質(zhì)。丙酮酸被徹底氧化分解形成CO2，并產(chǎn)生[H]和少量ATP。(3)第三階段：場所是線粒體內(nèi)膜。前兩個階段產(chǎn)生的[H]經(jīng)過線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈的傳遞，與氧結(jié)合生成水，產(chǎn)生大量ATP。四、厭氧呼吸1．條件：無氧。2．場所：細胞溶膠。3．過程(1)第一階段：與需氧呼吸的第一階段一樣。(2)第二階段：丙酮酸在不同酶的催化下，形成不同的產(chǎn)物，如乳酸或乙醇。4．類型(1)產(chǎn)乳酸的厭氧呼吸①反應(yīng)式：C6H12O6eq\o(→,\s\up7(酶))2C3H6O3＋能量。②生物類型：動物細胞、某些植物細胞、乳酸菌等。③微生物的厭氧呼吸也稱為發(fā)酵。乳酸菌的厭氧呼吸被稱為乳酸發(fā)酵。(2)產(chǎn)乙醇的厭氧呼吸①反應(yīng)式：C6H12O6eq\o(→,\s\up7(酶))2C2H5OH＋2CO2＋能量。②生物類型：某些植物細胞、酵母菌等。③酵母菌在氧充足的環(huán)境中進行需氧呼吸，在氧缺少的狀態(tài)下進行厭氧呼吸。酵母菌的厭氧呼吸被稱為乙醇發(fā)酵。五、細胞呼吸是細胞代謝的核心1．細胞代謝包括分解代謝和合成代謝，都與細胞呼吸密切相關(guān)。2．細胞分解代謝主要利用糖類作為呼吸過程中能量的來源，人和動物的細胞也可以利用脂肪和蛋白質(zhì)作為能源。(1)多糖首先水解成單糖，再進行糖酵解，最終被完全氧化成二氧化碳和水。(2)脂肪先分解成甘油和脂肪酸，甘油形成一個三碳化合物后進入糖酵解，脂肪酸則進一步被分解。(3)蛋白質(zhì)首先被分解成氨基酸，再脫去氨基變成有機酸，最終被完全氧化。3．細胞呼吸為細胞合成代謝提供能量(ATP)和碳骨架。[正誤判斷](1)酒精在中性或酸性條件下與重鉻酸鉀溶液反應(yīng)產(chǎn)生灰綠色。(×)(2)有氧條件下，酵母菌產(chǎn)生ATP的主要部位是線粒體。(√)(3)需氧呼吸的第三階段既消耗水又產(chǎn)生水。(×)(4)厭氧呼吸能產(chǎn)生ATP，但沒有[H]的生成過程。(×)(5)新鮮的蔬菜、水果應(yīng)該在低溫、無氧環(huán)境下保存。(×)(6)種子風(fēng)干脫水后呼吸強度減弱。(√)知識點一探究酵母菌的呼吸方式下圖甲、乙為探究酵母菌細胞呼吸方式的兩個實驗裝置。(1)條件：甲裝置為有氧條件，必須持續(xù)通入空氣，以保證氧氣的充足。乙裝置為無氧條件。(2)試劑①處為質(zhì)量分數(shù)為10%的NaOH溶液，作用是吸收通入空氣中的CO2，避免空氣中的CO2影響實驗結(jié)果。②處為澄清石灰水。③處為澄清石灰水。(3)實驗變量的控制本實驗的自變量是O2的有無；因變量是呼吸產(chǎn)物中是否有酒精和CO2的產(chǎn)生等。(4)產(chǎn)物檢測①檢測CO2產(chǎn)生，裝置圖如上圖。②檢驗酒精的產(chǎn)生：自錐形瓶A、B中各取2mL濾液分別注入編號為1、2的兩支試管中→分別滴加0.5mL溶有重鉻酸鉀的濃硫酸溶液→振蕩并觀察溶液的顏色變化。(5)實驗現(xiàn)象①甲、乙兩裝置中澄清的石灰水都變渾濁，且甲中渾濁程度大且快。②2號試管中溶液由橙色變成灰綠色，1號試管不變色。(6)實驗結(jié)論①酵母菌在無氧和有氧條件下都能分解葡萄糖進行細胞呼吸，但分解產(chǎn)物不同。②產(chǎn)物eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(有氧：大量的CO2和水,無氧：產(chǎn)生酒精，還產(chǎn)生少量的CO2))[溫馨提醒]該實驗是對比實驗對比實驗是指設(shè)置兩個或兩個以上的實驗組，通過對結(jié)果的比較分析，來探究某種因素與實驗對象的關(guān)系。對比實驗不設(shè)對照組，均為實驗組(或互為實驗組和對照組)，是對照實驗的一種特殊形式，即相當于“相互對照實驗”。1．下圖裝置可用于研究萌發(fā)的小麥種子呼吸方式及其產(chǎn)物(呼吸底物都為糖類)，下列有關(guān)分析錯誤的是()A．裝置甲可用于探究細胞呼吸是否產(chǎn)生熱量B．裝置乙有色液滴不移動，說明種子萌發(fā)只進行需氧呼吸C．裝置丙可根據(jù)澄清石灰水是否變混濁探究酵母菌的細胞呼吸方式D．3個裝置中的種子都必須進行消毒處理，并設(shè)置對照實驗解析：選C。裝置甲中含有溫度計，可用于探究細胞呼吸是否產(chǎn)生熱量，A正確；裝置乙中，若有色液滴不移動，說明氣體的量沒有變化，說明種子萌發(fā)只進行需氧呼吸，B正確；裝置丙中澄清石灰水可檢測CO2，因此該裝置可用于探究萌發(fā)的種子細胞呼吸是否產(chǎn)生CO2，因酵母菌需氧呼吸和厭氧呼吸均產(chǎn)生CO2，因此不能根據(jù)澄清石灰水是否變混濁探究酵母菌的細胞呼吸方式，C錯誤；微生物也會進行細胞呼吸，所以三個裝置中的種子都必須進行消毒處理，都需要設(shè)置對照實驗，D正確。2．一位學(xué)生將葡萄糖和酵母菌溶液放入一個保溫瓶中，并用帶有兩個孔的塞子封口，如下圖所示。隨著反應(yīng)進行，指示劑的顏色開始改變(該指示劑遇酸變紅)。下列判斷正確的是()A．保溫瓶內(nèi)的溫度將一直慢慢升高B．保溫瓶中O2的含量對酵母菌細胞呼吸的類型有重要的影響C．實驗可用來測定酵母菌細胞呼吸釋放的CO2量D．指示劑變色的情況與保溫瓶中空氣的量無關(guān)，與葡萄糖的量有關(guān)解析：選B。酵母菌在有氧的條件下進行需氧呼吸，在無氧的條件下進行厭氧呼吸，因此保溫瓶中O2的含量對酵母菌細胞呼吸的類型有重要的影響。知識點二需氧呼吸和厭氧呼吸1．需氧呼吸三個階段的比較項目第一階段(糖酵解)第二階段第三階段場所細胞溶膠線粒體基質(zhì)線粒體內(nèi)膜反應(yīng)物葡萄糖丙酮酸、H2O[H]、O2生成物丙酮酸、[H]、ATPCO2、ATP、[H]H2O、ATP能量少量(2ATP)少量(2ATP)大量(28ATP)項目需氧呼吸厭氧呼吸反應(yīng)條件需要O2、酶和適宜的溫度不需要O2，需要酶和適宜的溫度呼吸場所第一階段在細胞溶膠中，第二、三階段在線粒體內(nèi)全過程都在細胞溶膠中分解產(chǎn)物CO2和H2O乳酸或乙醇和CO2釋放能量大量少量特點有機物徹底分解，能量完全釋放有機物沒有徹底分解，能量沒完全釋放相互聯(lián)系其實質(zhì)都是分解有機物，釋放能量，生成ATP供生命活動需要；第一階段(糖酵解)完全相同 (1)需氧呼吸和厭氧呼吸的公共途徑是細胞呼吸的第一階段；都在活細胞中進行。雖然厭氧呼吸不需要O2，但該過程也是氧化分解。(2)需氧呼吸過程中H2O既是反應(yīng)物(第二階段利用)，又是生成物(第三階段生成)，且生成的H2O中的氧全部來源于O2。(3)有H2O生成一定是需氧呼吸，有CO2生成一定不是乳酸發(fā)酵。(4)厭氧呼吸只釋放少量能量，其余的能量儲存在分解不徹底的氧化產(chǎn)物——乙醇或乳酸中。[溫馨提醒](1)葡萄糖等有機物中的能量是穩(wěn)定的化學(xué)能，不能被細胞各項生命活動直接利用，只能通過細胞呼吸將其氧化分解，釋放的能量被ADP捕獲生成ATP，ATP才是各項生命活動的直接能源。細胞呼吸是生物體內(nèi)最大最重要的放能反應(yīng)。(2)需氧呼吸和厭氧呼吸的第一階段完全一樣，都是糖酵解，前者生成[H]進入線粒體，參與第三階段，而后者生成的[H]，用于厭氧呼吸第二階段還原丙酮酸或乙醛。(3)相同呼吸底物、不同呼吸類型和代謝產(chǎn)物的直接原因是催化反應(yīng)的酶不同，其根本原因是不同生物體內(nèi)基因的不同。(4)厭氧呼吸只在第一階段生成ATP，需氧呼吸三個階段都生成ATP。發(fā)展素養(yǎng)科學(xué)思維酵母菌和大部分植物細胞既能進行需氧呼吸，又能進行產(chǎn)乙醇的厭氧呼吸，如何根據(jù)反應(yīng)物或產(chǎn)物判斷呼吸的類型？提示：(1)依據(jù)O2吸收量和CO2釋放量判斷：①不消耗O2，釋放CO2→只進行產(chǎn)乙醇的厭氧呼吸；②O2吸收量＝CO2釋放量→只進行需氧呼吸或同時進行產(chǎn)乳酸的厭氧呼吸；③O2吸收量＜CO2釋放量→兩種呼吸方式同時進行，且多余的CO2來自產(chǎn)乙醇的厭氧呼吸。(2)依據(jù)乙醇和CO2生成量判斷①乙醇量＝CO2量→只進行產(chǎn)乙醇的厭氧呼吸；②乙醇量＜CO2量→兩種呼吸方式同時進行，且多余的CO2來自需氧呼吸。1．下圖表示萌發(fā)的小麥種子中可能發(fā)生的相關(guān)生理過程，a～e表示物質(zhì)，①～④表示過程。下列有關(guān)敘述正確的是()A．催化反應(yīng)②和④的酶都存在于細胞溶膠中B．圖中物質(zhì)c為[H]，它只在需氧呼吸過程中產(chǎn)生C．圖中①②過程主要發(fā)生在小麥種子萌發(fā)的早期，其中e為ATPD．①④③過程為需氧呼吸的三個階段，其中物質(zhì)a、d分別是丙酮酸和O2解析：選D。題圖為細胞呼吸的全過程，①②過程為厭氧呼吸，①④③過程為需氧呼吸，a、b、c、d、e分別表示丙酮酸、CO2、[H]、O2、乙醇；催化反應(yīng)②和④的酶分別存在于細胞溶膠和線粒體中，厭氧呼吸的第一階段也產(chǎn)生[H]。2．(2020·臺州期末)研究人員選取體長、體重一致的斑馬魚隨機均分成對照組和訓(xùn)練組，其中訓(xùn)練組每天進行運動訓(xùn)練(持續(xù)不斷驅(qū)趕斑馬魚游動)，對照組不進行。訓(xùn)練一段時間后，分別測量兩組斑馬魚在靜止時及相同強度運動后的肌肉乳酸相對含量，結(jié)果如下圖。下列敘述正確的是()A．乳酸是由丙酮酸在線粒體基質(zhì)中轉(zhuǎn)化形成的B．運動訓(xùn)練可降低厭氧呼吸在運動中的供能比例C．運動訓(xùn)練可降低斑馬魚靜止時的厭氧呼吸強度D．靜止時斑馬魚所需ATP主要在細胞溶膠生成答案：B3．在植物細胞中，葡萄糖的分解過程如圖所示，下列有關(guān)敘述中正確的是()A．該過程發(fā)生在細胞溶膠中B．O2不足條件下不能進行該過程C．圖中產(chǎn)生的[H]用于需氧呼吸第二階段反應(yīng)D．上圖中的ATP合成量小于ATP的分解量解析：選A。由分解過程可知此為需氧呼吸和厭氧呼吸共同的第一階段，發(fā)生在細胞溶膠中，不消耗O2，A正確，B錯誤；需氧呼吸第一、二階段產(chǎn)生的[H]用于第三階段生成水，C錯誤；第一階段結(jié)果是產(chǎn)生少量ATP，因此ATP合成量大于分解量，D錯誤。4．有一瓶酵母菌和葡萄糖的混合培養(yǎng)液，當通入不同濃度的O2時，其產(chǎn)生的乙醇和CO2的量如表所示。下列敘述中錯誤的是()氧濃度abcd產(chǎn)生CO2的量(mol)91530產(chǎn)生乙醇的量(mol)960b時，經(jīng)需氧呼吸產(chǎn)生的CO2為6molB．氧濃度為c時，消耗的葡萄糖有50%通過乙醇發(fā)酵C．氧濃度為d時，只進行需氧呼吸D．氧濃度為a時，不進行需氧呼吸答案：B知識點二影響細胞呼吸的環(huán)境因素以及與生產(chǎn)、生活的關(guān)系1．溫度(1)原理：細胞呼吸在最適溫度時最強；超過最適溫度，呼吸酶活性降低甚至變性失活，細胞呼吸受抑制；低于最適溫度，酶活性下降，細胞呼吸也受抑制(如下圖)。(2)應(yīng)用：生產(chǎn)上常利用這一原理在低溫下儲存蔬菜、水果。在大棚蔬菜的栽培過程中夜間適當降溫，抑制細胞呼吸，減少有機物的消耗，可達到提高產(chǎn)量的目的。2．O2濃度(1)原理：綠色植物或酵母菌在完全缺氧條件下進行厭氧呼吸，在低氧條件下通常厭氧呼吸與需氧呼吸并存，O2的存在對厭氧呼吸起抑制作用。在一定范圍內(nèi)，需氧呼吸強度隨O2濃度的增加而增強。關(guān)于厭氧呼吸和需氧呼吸與O2濃度之間的關(guān)系，可用下圖表示。①當O2濃度為0時，細胞只進行厭氧呼吸，Q點對應(yīng)的縱坐標大小表示厭氧呼吸的強度。②當O2濃度在0～10%之間時，需氧呼吸與厭氧呼吸共存，隨著O2濃度增加，厭氧呼吸強度減弱，需氧呼吸強度增強。③當O2濃度大于或等于10%時，厭氧呼吸消失，此后只進行需氧呼吸。但當O2濃度達到一定值后，需氧呼吸強度不再隨O2濃度的增大而增強。 ④當O2濃度為R點對應(yīng)的O2濃度時，有機物消耗量相對較少，在該O2濃度下保存瓜果蔬菜效果較好。⑤O2吸收量也可以表示需氧呼吸產(chǎn)生CO2的量，所以，兩條實線間的距離可表示厭氧呼吸的強度，當兩曲線重合時(距離為0)，厭氧呼吸強度為0。(2)應(yīng)用①生活中常利用降低O2濃度來抑制細胞呼吸，減少有機物消耗這一原理來延長蔬菜水果的保鮮時間。但是，在完全無氧的情況下，厭氧呼吸強，分解的有機物也較多，不利于蔬菜水果的保質(zhì)、保鮮，所以一般采用低氧保存，此時需氧呼吸較弱，而厭氧呼吸又受到抑制。②無土栽培通入空氣，農(nóng)耕松土等都是為了增加O2含量，加強根部的需氧呼吸，保證能量供應(yīng)，促進礦質(zhì)元素的吸收。③用透氣紗布或“創(chuàng)可貼”包扎傷口：增加通氣量，抑制厭氧菌的厭氧呼吸。④釀酒時早期通氣——促進酵母菌需氧呼吸，利于菌種繁殖；后期密封發(fā)酵罐——促進酵母菌厭氧呼吸，利于產(chǎn)生乙醇。3．CO2濃度CO2是細胞呼吸產(chǎn)生的，從化學(xué)平衡角度分析，CO2濃度增加，呼吸速率下降。在密閉的地窖中，O2濃度低，CO2濃度較高，抑制細胞呼吸，使細胞的代謝水平降低，有利于保存蔬菜水果(如圖)。4．含水量細胞呼吸的各種化學(xué)反應(yīng)都是在水中進行的，水含量增加，代謝加強。糧油種子的貯藏，必須降低含水量，使種子處于風(fēng)干狀態(tài)，從而使細胞呼吸降至最低，以減少有機物消耗。如果種子含水量過高，細胞呼吸加強，使貯藏的種子堆中溫度上升，反過來又進一步促進種子的細胞呼吸，使種子的品質(zhì)變壞(如圖)。發(fā)展素養(yǎng)社會責(zé)任人在劇烈運動時，會因骨骼肌進行厭氧呼吸積累過多的乳酸而感到肌肉酸痛。運動成為當今人們生活的一種時尚，健身教練提倡有氧運動，請根據(jù)需氧呼吸和厭氧呼吸的產(chǎn)物及釋放能量多少的角度分析原因。提示：需氧呼吸的產(chǎn)物是CO2和H2O，對機體的影響較小，且有機物中的能量全部釋放。而厭氧呼吸的產(chǎn)物中的乳酸對機體不利，且有機物中的能量僅釋放一部分。1．下圖表示某植物的非綠色器官在氧濃度為a、b、c、d時，CO2釋放量和O2吸收量的變化。下列相關(guān)敘述不正確的是()A．氧濃度為a時，只有厭氧呼吸B．氧濃度為b時，厭氧呼吸消耗葡萄糖的量是需氧呼吸的5倍C．氧濃度為c時，厭氧呼吸和需氧呼吸都產(chǎn)生丙酮酸D．氧濃度為d時，為厭氧呼吸消失的臨界點解析：選D。據(jù)圖可知，環(huán)境中氧濃度為a時，O2吸收量是0，說明沒有需氧呼吸，CO2釋放量是10，全部來自厭氧呼吸；環(huán)境中氧濃度為b時，O2吸收量是3，說明需氧呼吸CO2釋放量為3，因CO2總釋放量是8，故厭氧呼吸CO2釋放量為5，，，故厭氧呼吸消耗的葡萄糖的量是需氧呼吸的5倍；環(huán)境中氧濃度為c時，厭氧呼吸和需氧呼吸都產(chǎn)生丙酮酸；環(huán)境中氧濃度為d時，O2吸收量和CO2的釋放量都是7，只有需氧呼吸，也可能在c濃度之后、d濃度之前，厭氧呼吸就已經(jīng)消失，所以說d濃度是臨界點不合適。2．(2020·寧波高一檢測)下列關(guān)于細胞呼吸的敘述，正確的是()A．水稻根部主要進行厭氧呼吸，所以能長期適應(yīng)缺氧環(huán)境B．荔枝在無O2、干燥、零下低溫的環(huán)境中，可延長保鮮時間C．馬拉松運動時，運動員主要是從厭氧呼吸中獲得能量D．高等生物保留厭氧呼吸的能力，有利于對不良環(huán)境的適應(yīng)解析：選D。水稻根細胞主要進行需氧呼吸，若長期進行厭氧呼吸，則產(chǎn)生的乙醇對根細胞有毒害作用，A項錯誤；荔枝在低氧、濕度適中、零上低溫的環(huán)境中，可延長保鮮時間，B項錯誤；馬拉松運動時，運動員主要是從需氧呼吸中獲得能量，厭氧呼吸產(chǎn)生的能量很少，C項錯誤；高等生物保留厭氧呼吸的能力，有利于對不良環(huán)境的適應(yīng)，D項正確。3．自然界中的酵母菌種類繁多、分布很廣，是人類在發(fā)酵中常用的菌種?；卮鹣铝邢嚓P(guān)問題：(1)圖一是酵母菌的結(jié)構(gòu)示意圖，酵母菌是____________(填“原核”或“真核”)生物，判斷依據(jù)是__________________________________。(2)酵母菌繁殖時，主要進行____________呼吸，其發(fā)生的場所是______________________。(3)實驗室用兩種方式以葡萄糖為原料利用酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)酒精。甲發(fā)酵罐中保留一定量的氧氣，乙發(fā)酵罐中沒有氧氣，其余條件均相同且適宜。實驗過程中每隔1h分別測定一次兩發(fā)酵罐中氧氣和酒精的物質(zhì)的量，記錄數(shù)據(jù)并繪成如圖二所示的坐標圖。①在實驗結(jié)束時甲、乙兩發(fā)酵罐中產(chǎn)生的二氧化碳量之比為____________；甲、乙兩發(fā)酵罐分別在____________(填寫時間)的厭氧呼吸速率最快。②由甲、乙發(fā)酵罐中的實驗結(jié)果可以得出，要提高酒精產(chǎn)量需____________。③在甲、乙發(fā)酵罐發(fā)生的相同生理過程的總反應(yīng)式：__________________________________________。解析：(1)圖一是酵母菌的結(jié)構(gòu)示意圖，酵母菌是真核生物，真核細